Introdução à Automação Industrial II

Prévia do material em texto

Introdução à Automação Industrial 1
Introdução à Automação Industrial
Prof. Adilson 
Gonzaga
Introdução à Automação Industrial 2
Elementos Básicos
Switches
(CHAVES) Representações
Introdução à Automação Industrial 3
Elementos Básicos
SPST -- Single Pole Single Throw
(Single Pole on-off)
SPDT -- Single Pole Double Throw
(SPCO - Single Pole Changeover 
Single Pole on-on)
DPST -- Double Pole Single Throw
(Double Pole on-off)
DPDT -- Double Pole Double Throw
(DPCO - Double Pole Changeover 
Double Pole on-on)
Switches
(CHAVES) Configurações
Introdução à Automação Industrial 4
Elementos Básicos
Pole = Número de partes móveis que se conectam ou
Número de circuitos individuais
Throw = Número de 
Estados
Switches
(CHAVES) Termos
Introdução à Automação Industrial 5
Elementos Básicos
Switches
(CHAVES) Tipos
Introdução à Automação Industrial 6
Elementos Básicos
Switches
(CHAVES) Classes
Introdução à Automação Industrial 7
Elementos Básicos
Relays
(Relês)
Chave cuja operação é 
ativada de maneira 
eletromagnética.
Representação esquemática
Introdução à Automação Industrial 8
Elementos Básicos
Counters
(Contadores)
Os Contadores Digitais 
tem suas saídas na forma 
de contatos de Relês, 
quando uma contagem 
pré-estabelecida é atingida
Ex: Contagem de 5 subidas de 
borda.
Introdução à Automação Industrial 9
Elementos Básicos
Timers
(Temporizadores)
Um Temporizador consiste de 
um clock interno, um 
registrador de contagem e 
um acumulador.
É utilizado para temporizar 
eventos, fechando os 
contatos após um tempo 
pré-programado.
Introdução à Automação Industrial 10
Dispositivos de Controle
1) Controle Mecânico - eixos, direcionadores, etc...
2) Controle Pneumático - Pistões e válvulas de ar 
comprimido, etc...
3) Controle Eletromecânico - chaves, relês, 
temporizadores, contadores, etc...
4) Controle Eletrônico - chaves eletrônicas
5) Controle Computadorizado 
Introdução à Automação Industrial 11
Lógica de Relês
Exemplo de controle de processo:
Um processo inicia ligando um motor (R2), cinco segundos após uma 
peça tocar uma chave de limite (LS1). O processo termina 
automaticamente quando a peça terminada toca uma segunda chave 
de limite (LS2). Uma chave de emergência (PB1) termina o processo 
a qualquer instante, quando for acionada.
Processo
Lógica
Introdução à Automação Industrial 12
Sistemas de Automação:
Sistemas Rígidos e Sistemas 
Flexíveis
Introdução à Automação Industrial 13
Sistema Rígido de Automação
Os sinais de sensores acoplados à 
máquina ou equipamento a ser 
automatizado acionam circuitos 
lógicos a relés que disparam 
cargas e atuadores.
Introdução à Automação Industrial 14
Sistema Flexível de Automação
Exemplo: As primeiras máquinas de tear eram acionadas 
manualmente. Depois passaram a ser acionadas por algum 
tipo de comando automático. Entretanto, esse comando só 
produzia um modelo de tecido, de padronagem, de desenho 
ou estampo. A introdução de um sistema automático flexível 
no mecanismo de uma máquina de tear tornou possível 
produzir diversos padrões de tecidos num mesmo 
equipamento.
Introdução à Automação Industrial 15
Controle de Processos:
Processo
Conjunto de operações e/ou 
transformações realizadas sobre um 
ou mais materiais, com a finalidade 
de variar pelo menos uma de suas 
propriedades físicas ou químicas.
Introdução à Automação Industrial 16
•Exemplo: Processo de produção Preparar um café:
Seguir uma receita, usando utensílios para transformar 
ingredientes básicos num produto. Para esta transformação é 
necessária alguma forma de energia. 
Ingredientes ==> matéria-prima de entrada ou insumos 
•pó de café; 
•água potável.
Utensílios ==> equipamentos 
•cafeteira; 
•coador; 
•filtro de papel; 
•jarra refratária.
Introdução à Automação Industrial 17
Receita ==> determina as seqüências de preparo, os 
intervalos de tempo e a quantidade de matéria-prima 
envolvida. Ela nos mostra como fazer sempre um cafezinho 
com as mesmas características ou bem semelhantes. 
Energia ==> gera calor, para efetuar a transformação dos 
ingredientes. 
Introdução à Automação Industrial 18
Energia: "Propriedade de um sistema que lhe permite 
realizar trabalho. 
Definições:
Insumos: "Combinação dos fatores de produção 
(matérias-primas, horas trabalhadas, energia 
consumida, taxa de amortização, etc.) que entram 
na produção de determinada quantidade de bens 
ou serviço."
Matéria-prima: "A substância bruta principal e 
essencial com que é fabricada alguma coisa: as 
matérias-primas da indústria automobilística."
Introdução à Automação Industrial 19
Tipos de Processos:
Processo descontínuo (Processo em batch, 
processo em lote): é aquele cuja operação se 
dá em etapas. Assim, em primeiro lugar 
ocorre a alimentação do processo com 
matéria-prima, em seguida a reação e 
finalmente a retirada do produto final.
Definições:
Produção em massa: "Sistema de produção de um 
produto com pouca variação.” 
Exemplo: automóveis e eletrodomésticos.
Produção em lote: "Sistema de produção de uma 
quantidade média de um produto que pode ser repetido 
periodicamente.” Exemplo: livros e roupas."
Introdução à Automação Industrial 20
Como exemplos industriais de um processo descontínuo 
temos algumas etapas de produção em indústrias químicas 
e indústrias de manufatura com características de produção 
em massa (seriada) ou em lotes.
Introdução à Automação Industrial 21
Processo contínuo
Entendem-se por processos contínuos 
aqueles em que existe uma entrada contínua 
de matéria-prima, um processamento e uma 
saída também contínua do produto final.
Introdução à Automação Industrial 22
Exemplo de um processo contínuo: Processo de destilação 
de álcool.
A saída de produto é constante (Álcool hidratado) 
dependendo da quantidade de matéria-prima de entrada 
(caldo de cana fermentado) e da energia fornecida ao sistema 
(vapor de água supersaturado). 
Um produto sobra nesse processo, o vinhoto. Parte dele é
reprocessado, isto é, volta ao topo da coluna. O que sobra é 
usado como fertilizante nas plantações de cana-de-açúcar.
Introdução à Automação Industrial 23
Em um processo industrial, estas variáveis podem ser 
associadas a:
•pressão, 
•temperatura, 
•posição, 
•vazão, 
•velocidade, 
•nível, 
•pH,...
Variáveis de Processo
São entidades matemáticas associadas a fenômenos 
físicos/químicos, geralmente através de letras ( x, y, 
z, V, I, R, t, ... ).
Introdução à Automação Industrial 24
Uma variável é dita analógica quando 
pode assumir infinitos valores (dentro de 
uma faixa de valor máximo e mínimo) 
durante um intervalo de tempo.
Variáveis Analógicas:
Introdução à Automação Industrial 25
Quando a variável só pode assumir dois 
valores (alto ou baixo, ligado ou desligado) 
ela é chamada de digital ou discreta.
Variáveis Digitais:
Introdução à Automação Industrial 26
Medição Contínua:
Relacionada com as variáveis analógicas. 
O conjunto formado pelo resistor variável e a bóia 
(elemento sensor) informa continuamente ao indicador a 
quantidade de combustível existente no tanque. 
Introdução à Automação Industrial 27
A medição descontínua normalmente é feita por sensores 
do tipo chave com dois estados, ativo ou não ativo. 
Medição Descontínua:
Relacionada com as variáveis digitais. 
No exemplo, é utilizada para segurança evitando o 
transbordamento ou esvaziamento abaixo de 
determinada posição mínima.
Introdução à Automação Industrial 28
Transformando a medição descontínua em contínua:
•LT - (Level Transmitter) - é o transmissor de nível, 
responsável por sentir continuamente a variável de processo 
através de seu elemento sensor e converter este sinal em 
um sinal padronizado para ser transmitido a distância. 
Normalmente o sinal proporcional ao valor medido é 
padronizado em corrente (4 a 20 mA) ou em pressão (3 a 15 
PSI). 
Introdução à Automação Industrial 29
Diagrama de Controle:
•SP- (Set Point) - é o valordesejado; ponto em que se 
deseja manter a variável 
controlada, no caso ajustada 
para o nível permanecer em 
torno de 50%. 
•PV - (Process Variable) - é a variável de processo que está 
sendo medida pelo elemento sensor presente no transmissor 
de nível (LT) e transmitida para o controlador. 
•MV - (Manipuled Variable) - é a variável manipulada, no caso 
o sinal enviado pelo controlador (LIC) para o elemento final 
de controle (LCV) que regula a quantidade de combustível 
que entra no tanque. A este fluxo de fluido chamamos vazão. 
Introdução à Automação Industrial 30
•LIC - (Level Indicator 
Controller) - é controlador 
indicador de nível, responsável 
por comparar o valor da variável, 
medida pelo LT, com o set point
para obter o valor de erro 
(diferença entre o valor medido 
e o ponto de ajuste), usado num 
algoritmo de controle que calcula 
o valor de correção a ser enviado 
para o elemento atuador (LCV) 
que reposicionará a variável 
manipulada. 
•LCV - (Level Control Valve) - é a Válvula Controladora de 
Nível, responsável pela variação da variável manipulada, 
comandada pelo controlador (LIC). Chamada também de 
atuador ou elemento final de controle. 
Introdução à Automação Industrial 31
• Uso de um computador para comandar o caminho da 
ferramenta cortante de um torno mecânico ou uma máquina
fresadora. Com isto tem-se alta precisão no produto final e 
alta repetibilidade com um mesmo programa. 
‰ O comando numérico computadorizado (CNC) é uma 
técnica que permite a operação automática de uma 
máquina por meio de uma série de instruções codificadas 
que contêm números, letras e outros símbolos.
Comando Numérico Computadorizado (CNC):
‰ As máquinas CNC podem ser facilmente reprogramadas
para atender a novos projetos e podem ser adaptadas a 
diferentes situações de produção.
Introdução à Automação Industrial 32
Comando Numérico Computadorizado (CNC):
As primeiras máquinas
fresadoras CN possuíam 
uma unidade de controle 
tão volumosa que 
precisava ficar fora da 
máquina. 
Atualmente, máquinas 
CNC, possuem um 
comando numérico 
pequeno, normalmente 
embutido na própria 
máquina. 
Introdução à Automação Industrial 33
• ( ou simplesmente Controladores Programáveis - CPs ) são 
usados para controlar uma sucessão de eventos. 
Basicamente é um computador, que recebe sinais de 
sensores e/ou chaves, executa um programa e envia ordens 
a saídas, as quais acionarão elementos como motores, 
válvulas, etc... 
Controladores Lógicos Programáveis (CLP):
‰ Antes do surgimento dos CLP’s, as tarefas de comando e 
controle de máquinas e processos industrias eram feitas 
por relés eletromagnéticos, especialmente projetados 
para este fim.
Introdução à Automação Industrial 34
Automação de Processos:
Medir variáveis analógicas e digitais, para que, após o 
processamento das informações contidas nessas variáveis, o 
controlador tome decisões como : ligar/desligar um motor, 
acender uma lâmpada de alerta, ligar/desligar um sistema de 
aquecimento, entre outras.
O elemento que "sente" o que ocorre no processo, 
fornecendo informações sobre o estado da variável 
monitorada é chamado de sensor.
O elemento que executa a tarefa designada pelo 
controlador é chamado de atuador.
Introdução à Automação Industrial 35
Classificação dos Sensores:
Quanto ao tipo de variável controlada 
• Sensores Contínuos - efetuam medições 
contínuas de variáveis, fornecendo valores 
contínuos. (Ex: Resistor Variável)
•Sensores Discretos - podem apresentar 
somente dois estados : atuados ou não. 
(Ex: Chaves)
Introdução à Automação Industrial 36
Classificação dos Sensores:
Quanto a seu funcionamento 
Auto alimentados : Estes produzem um 
sinal elétrico de saída sem a necessidade de 
alimentação externa. Um termopar é um 
exemplo deste tipo de sensor.
Com alimentação externa : Estes requerem 
entrada de energia para poder-se obter um 
sinal de saída. Um exemplo é uma termo 
resistência, a qual requer uma entrada de 
energia para excitar o resistor.
Introdução à Automação Industrial 37
Sensores Lineares :
• Resistivos
• Indutivos
‰ Instalados ao longo dos eixos de movimentação, sobre os 
quais são aplicadas tensões fixas. 
‰ São mais baratos e mais simples. 
‰ Devido à presença de contatos elétricos móveis, a vida útil 
destes sensores é muito curta (não superior a 1 milhão de 
operações).
‰ A precisão nas medidas é pequena, sendo ainda sujeita a 
erros causados por ruídos induzidos.
Introdução à Automação Industrial 38
Sensores Lineares :
• Ópticos
‰ Consiste na colocação de emissores e receptores de luz na 
parte móvel e de uma régua graduada, fixa à base do 
movimento ou vice-versa, que permite a passagem ou a 
reflexão apenas de feixes seletivos de luz emitidos, e que 
serão detectados pelos receptores e indicarão a posição da 
parte móvel em relação à fixa.
‰ Mais precisos.
‰ Vida útil praticamente infinita se alguns cuidados 
elementares forem tomados com relação à sua utilização. 
Introdução à Automação Industrial 39
Sensores Rotativos:
• Resistivos
• Indutivos
‰ Os resistores ou indutores apresentam formas circulares 
e os coletores são fixados ao eixo do motor o qual se aplica.
‰ Assemelham-se muito aos lineares, inclusive no que tange 
ao funcionamento, vida útil e precisão.
Introdução à Automação Industrial 40
Sensores Rotativos:
• Magnéticos de 
Efeito Hall 
‰ Utilização de um imã fixo no eixo rotor e sensores de 
efeito Hall que detectam a passagem do campo magnético 
pelos mesmos.
‰ Detectam velocidade e posição do eixo em movimento. 
‰ Vida útil longa, robustos e baratos . 
‰ Instalação difícil, o que limita sua aplicação. 
‰ Possui sérias restrições quanto à temperatura de operação.
Introdução à Automação Industrial 41
Sensores Rotativos:
• Tipo Resolver 
‰ Assemelham-se a pequenos motores síncronos bifásicos 
com enrolamento de campo, onde são aplicadas tensões 
alternadas.
‰ A posição é medida através da diferença de fase entre as 
tensões induzidas nos terminais das fases do estator.
‰ São muito precisos e têm vida útil longa, mas têm 
custo elevado.
Introdução à Automação Industrial 42
Sensores Rotativos:
• Ópticos 
‰ “Encoders” ópticos.
‰ Sensor em forma de disco com marcas ou perfurações. 
‰ Longa vida útil, alta precisão e médio custo. 
‰ Fornecem medidas absolutas ou incrementais, de 
acordo com as necessidades de cada aplicação. 
Introdução à Automação Industrial 43
Sensores de Proximidade:
‰ São compostos por circuitos eletrônicos que sentem a 
variação de campo eletromagnético ( indutivos ) ou
eletroestático ( capacitivos ).
‰ Os sensores eletromagnéticos sentem proximidade de 
objetos metálicos e podem ser utilizados para função de 
liga/desliga por proximidade ou contagem de produtos. 
‰ Os sensores capacitivos podem ser utilizados para 
sentir proximidade de outros produtos não 
magnéticos.
Introdução à Automação Industrial 44
Sensores de Pressão:
• Indutivo:
‰ Transformador Diferencial de Núcleo Variável, ou LVDT. 
este sensor consiste em uma bobina primária ( bp ), duas 
bobinas secundárias ( bs1 e bs2 ) ligadas em oposição de 
fase e um núcleo de ferro-doce disposto simetricamente 
com relação às bobinas. 
‰ Quando o sistema está em repouso, as tensões induzidas 
em bs1 e bs2 são idênticas, sendo a resultante V2 igual a 
zero. 
Introdução à Automação Industrial 45
‰ Quando há pressão aplicada, ocorre o deslocamento do 
núcleo, provocando tensões diferentes em bs1 e bs2 e 
conseqüentemente, V2 não será mais zero
Sensores de Pressão:
‰ Podem medir uma ampla faixa de pressão, porém são 
sensíveis a vibrações e campos magnéticos. 
‰ O sinal gerado é da ordem de 1,5 V, o que dispensa o 
uso de pré-amplificadores.
• Indutivo:
Introdução à Automação Industrial 46
Sensores de Pressão:
• Capacitivo:
‰ O sensor tipo capacitivo, ou célula capacitiva, mede a 
diferença entre pressões aplicadas em dois diafragmas. 
‰ A distância entre o diafragma sensor e as placas do 
capacitor variade acordo com a diferença entre as 
pressões aplicadas dos dois lados da cerâmica porosa.
Introdução à Automação Industrial 47
Sensores de Pressão:
• Piezoelétrico:
‰ Alguns cristais 
desenvolvem em sua rede 
cristalina, cargas elétricas 
quando submetidos a um 
esforço mecânico.
‰ A carga gerada tem valor muito baixo, necessitando de 
um circuito de amplificação e condicionamento do sinal.
‰ São indicados para medir pressões que variam 
rapidamente, ou seja, para medições dinâmicas. 
‰ Possui alta estabilidade térmica e pode medir pressões 
desde 1 mbar até mais de 10 kbar.
Introdução à Automação Industrial 48
Sensores de Pressão:
• Piezoresistivo:
‰ efeito piezoresistivo: alteração de resistência de um 
condutor elétrico sob carga. 
‰ "strain gage“: utilizado em estruturas conhecidas 
como células de carga, para medidas de peso. 
‰ A Ponte de Wheatstone fará com que o medidor 
ao centro altere proporcionalmente à pressão 
aplicada no sensor.
Introdução à Automação Industrial 49
Sensores de Temperatura:
• Termopar: 
‰ Conjunto de dois fios de metais ou ligas metálicas 
diferentes, unidos em uma das extremidades. 
‰ O ponto de união dos fios é denominado junta de medida 
ou junta quente. 
‰ A outra extremidade é chamada junta de referência ou 
junta fria.
‰ Quando submetemos as juntas a diferentes temperaturas, 
há uma geração de tensão ( Força Eletromotriz ou FEM), 
facilmente detectável por um milivoltímetro ligado à junta 
de referência. 
Introdução à Automação Industrial 50
Sensores de Temperatura:
• Termoresistência - RTD:
‰ Sensores metálicos cuja resistência elétrica varia com a 
alteração da temperatura. 
Resistance Temperature Detector 
‰ Restrição principal --> limite superior de temperatura 
•300 °C para o níquel
•310 °C para o cobre
•630 °C para platina
‰ O tipo usado na indústria é denominado Pt100 --> a 
resistência elétrica tem o valor de 100 Ohms a 0 °C.
Introdução à Automação Industrial 51
Sensores de Temperatura:
• Termistores:
‰ São óxidos metálicos semicondutores, cuja resistência 
elétrica varia com a alteração da temperatura.
• Positivos (PTC) - Elevação do valor da resistência com 
o aumento da temperatura.
• Negativos (NTC) - Diminuição da resistência 
elétrica com o aumento da temperatura. 
Introdução à Automação Industrial 52
Sensores de Vazão:
‰ Determinação da velocidade em que fluem líquidos em 
tubulações.
‰ O princípio físico adotado, pela maioria destes sensores, é 
o mesmo que o utilizado nos sensores de pressão.
Introdução à Automação Industrial 53
Atuadores:
• Elemento final de controle, que tem por objetivo
reposicionar uma variável, de acordo com um sinal 
gerado por um controlador.
‰ Atua diretamente no processo, modificando as 
suas condições.
‰ Dispositivos utilizados para conversão de sinais 
elétricos provenientes dos controladores, em ações 
requeridas pelos sistemas que estão sendo 
controlados.
Introdução à Automação Industrial 54
Atuadores Pneumáticos:
‰ Normalmente empregado em sistemas onde se requer 
altas velocidades nos movimentos, com pouco controle 
sobre o posicionamento final, em aplicações onde o torque 
exigido é relativamente baixo. 
• Lineares - Pistões de simples e dupla ação.
• Rotativos - Motores pneumáticos.
• Válvulas de controle pneumáticas - capaz de 
regular a vazão de um fluído (líquido, gás ou vapor) 
que escoa através de uma tubulação, por meio do 
posicionamento relativo de um obturador que obstrui 
a área livre de passagem do fluído.
Introdução à Automação Industrial 55
Atuadores Hidráulicos:
• Utilizados principalmente em sistemas onde são 
requeridos elevados torques, sobretudo no acionamento de 
máquinas de grande porte e em robôs de alta velocidade de 
posicionamento. 
‰ Comandado por eletroválvulas que controlam os fluxos de 
óleo do sistema, controlando os movimentos. 
• Alto torque desenvolvido
• Alta relação torque/peso
• Alta performance
• Baixa manutenção
Introdução à Automação Industrial 56
Atuadores Elétricos:
• Motor de passo:
•Baixo Torque
•Acionamento simples
•Baixa relação peso/potência
‰ São comumente utilizados, hoje, em sistemas que 
operam e malha aberta, não exigindo a presença de 
sensores ou controladores mais elaborados. 
‰ Sua maior aplicação está em periféricos para 
informática.
Introdução à Automação Industrial 57
Atuadores Elétricos:
• Motor de Corrente Contínua:
‰ Tendo um desempenho muito superior ao motor de passo, 
o motor CC o substituiu em algumas aplicações , pois seu 
acionamento e controle também são bastante simples.
• Motor de corrente alternada síncrono:
• Motor de corrente alternada assíncrono:
(de indução)
‰ Largamente utilizado em acionamentos onde controles de 
velocidade e posicionamento não são requeridos, devido ao 
seu baixo custo e robustez.